引言
物聯網(Internet Of Things，IOT) 是麻省理工學院Ashton 教授在1999 年最先提出來的；2005 年，ITU 發表了物聯網白皮書，首次在世界范圍內提出了物聯網的概念；2009年，美國將物聯網作為振興經濟發展的兩大重點之一，為此，物聯網正式成為了繼互聯網后的下一個新型的產業革命。
自2009 年溫家寶總理在無錫提出了“感知中國”的概念后，物聯網在我國進入了一個高速發展的階段，2012 年工信部發布了《“十二五”物聯網發展規劃》，自此物聯網成為了我國經濟發展的又一個新動力。我國作為一個工業大國，每年的工業生產總值占全國GDP 總額的近一半，近年來，新型工業化的快速發展要求工業的智能化程度越來越高，因此物聯網給智能工業的發展提供了可行、便捷的服務。
工業物聯網是指通過將具有感知能力的智能終端、無處不在的移動計算模式、泛在的移動網絡通信方式應用到工業生產的各個環節，提高制造效率，把握產品質量，降低成本，減少污染，從而實現智能工業。當前，業界對于工業物聯網的體系架構眾說紛紜，但是綜合來講，主要分為感知層、傳輸層以及應用層，而北京郵電大學的馬華東教授將傳輸層進一步分為了數據交換層和信息整合層。在工業領域內，數據的實時性對于智能工業的實現占有重要的作用，因此本文將工業物聯網架構分為數據采集層、數據傳輸層、數據整合層以及應用服務層，具體如圖1 所示。
圖1 描述了工業物聯網的體系結構以及在各個分層中主要的應用技術。工業物聯網與傳統物聯網技術的差別在于工業物聯網通常是在短程通信環境中進行的，并且要求傳輸的高可靠性以及實時性。因此，常用的工業物聯網需要滿足以下幾點要求：其一是精確的時間同步要求；其二是通信的準確性；其三是工業環境的高適應性。
精確的時間同步要求是指在數據采集以及傳輸過程中必須保證時鐘的同步性。物聯網的基礎就是無線傳感器網絡，而傳感器自身的特點導致在采集與傳輸過程中造成時鐘的不一致性，這是無線傳感器網絡應用在物聯網中所面臨的關鍵問題之一。
圖1 工業物聯網體系結構
通信的準確性是指在工業環境中，由于環境的特殊性，無線網絡在通信過程中常常會造成數據包的丟失，而工業物聯網需要保證通信的高可靠性，從而避免在工業生產過程中可能造成的災難性危害，因此無線網絡的可靠通信是工業物聯網應用的關鍵之一。
工業環境的高適應性是指在傳統的工業環境中，比如煤炭、冶金、石油等行業中，強腐蝕性、高溫等環境要求采集設備的特殊性，因此高性能傳感設備以及適應性強的通信標準是工業物聯網應用的基礎。
1 工業物聯網的發展現狀
工業物聯網中的關鍵技術是感知技術。當前，國際上對于工業物聯網的研究主要有三個標準，即Wireless Hart、ISA100.11a 以及WIA-PA 標準。國內對于工業物聯網的研究也十分活躍，中科院沈陽自動化研究所牽頭制定了WIA-PA 標準，使得我國在工業無線標準的領域里占據了一席地位，清華大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、東北大學，北京科技大學等都在工業物聯網的領域中做出了大量的研究成果。
傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN) 在工業物聯網應用過程中起到了樞紐的作用。工業環境的特殊性，致使傳感器網絡的應用必須考慮大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應，以及馬達、器械等運轉時產生電磁噪聲對無線通信的干擾，如何保證傳輸的可靠性是傳感器網絡在工業物聯網應用的重點。
中科院沈陽自動化研究所牽頭指定的WIA-PA 標準，提出了一種自組織、自治愈的MESH 路由機制。所謂MESH 路由機制，就是指通過自組織的方式將Sensor 節點與Sink 節點相連接，該路由機制保證了鏈路在失效的情況下自動啟用備用鏈路，從而保證數據傳輸的高可靠性和強穩定性，它兼容了IEEE802.15.4 標準，實現了短程的可靠通信。當前，WIA-PA已應用在石油開采、污水處理、冶金生產等行業。
在工業生產過程中，生產過程參數對于最終產品的形成起非常重要的作用，某一個環節的參數變動可能導致最終產品性能的改變，尤其在鋼鐵行業的生產過程中，整個工藝流程需要采集大量的參數數據，如何保證過程參數的準確性是傳感器網絡在冶金工業應用中最需要考慮的。是在工業生產過程中一個實時監測系統某時刻的檢測結果，在顯示某時刻所獲得參數超過了閾值時，系統將根據生產過程中的需求來選擇傳感器重傳或者放棄該數據等不同操作。
工業環境的特殊性要求感知設備在其性能、體積、材質等方面達到一定的指標，當前國內外生產RFID 以及各類傳感器的廠商成千上萬。成熟的MEMS、SOC 以及新材料等技術使得傳感器滿足了多數行業的需求，而當前工業所面臨的主要是成本控制以及性能高端傳感器的大量需求。RFID 作為物聯網技術應用的主角，其低廉的價格以及使用的便捷性得到了企業的廣泛應用，當前多數企業在庫存管理方面采用了RFID，管理員定期定時掃描庫存設備，摒棄了以前逐個檢查的方式，從而大大提高了工作效率。
設備是工業生產的基石，如何保證設備正常運行以及及時維修是企業保證生產正常運行的關鍵。例如，太原鋼鐵有限公司采用上海某公司研發的點檢系統，在各個需要點檢的設備部位安裝RFID，并且將該設備信息錄入到點檢系統中，點檢員定期通過手持PDA 設備獲取設備某部位的溫度、側移等關鍵數據，從而為生產設備正常運行提供關鍵的數據。當前在冶金、石油、煤礦等高污染行業中均引入了物聯網技術作為環保監測手段，以保證企業的和諧綠色發展。
環保作為21 世紀最受關注的民生產業之一，環保監測和能源管理物聯網技術實現了對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理的各個環節指標實現實時監控。通常在各個重點排污企業的污染源口安裝無線傳感設備，實現了實時監測排污數據，并且通過遠程控制的方式實現遠程開啟、關閉排污口等功能，從而防止突發性的環境污染事件。
工業物聯網的發展需求大量的傳感設備，抗腐蝕性、高強度、耐高溫等特性的專用傳感器的發展將成為工業物聯網應用的一個推進器。
兩化融合是世界工業化發展的一個趨勢，物聯網技術給工業化帶動信息化、信息化促進工業化提供了一個新的突破口。當前，先進制造企業基本上實行了信息化管理，如多數企業采用的基于ERP 的現代企業管理制度，基本上實現了信息共享、實時獲取生產經營情況等功能。
ERP 作為當前企業應用最為成熟的現代化企業管理解決方案，及時、高效地獲取生產經營情況是企業管理決策人員所希望的，而現代物流業發展、電子商務平臺的運用以及SCM 和CRM 等成熟解決方案的應用，使得制造業從傳統的制造方式到真正實現了智造。
物聯網的提出給兩化融合的進一步解決提供了一個新的突破口，新型制造業的發展是基于自動化技術的應用，物聯網的應用改變了傳統自動化技術中被動的信息收集方式，實現了自動、準確、及時地收集生產過程的生產參數。傳統的工業生產采用M2M(Machine to Machine) 的通信模式，實現了機器與機器間的通信，而物聯網通過Things to Things 的通信方式實現人、機器和系統三者之間的智能化、交互式無縫連接，從而使得企業與客戶、市場的聯系更為緊密，企業可以感知到市場的瞬息萬變。例如在鋼鐵行業中，物聯網的存在，使得管理決策人員能夠實時地掌握價格的漲幅變化以及原材料的變化，從而對生產做出準確、合理的調節；基于ERP 的管理理念使得管理理念得到了改變，從而提高了管理效率。
2 工業物聯網需要解決的問題
工業物聯網技術是一個跨學科的工程，它涉及自動化、通信、計算機以及管理科學等領域。工業物聯網的廣泛應用還面臨著眾多的問題。
2.1 設備兼容問題
如何解決物聯網中所用的傳感器能夠與原有設備已應用的傳感器相兼容是工業物聯網推廣所面臨的問題之一。設備兼容關鍵是標準的統一，當前工業無線的三大標準HART、ISA以及WIA-PA 均兼容了IEEE802.15.4 無線網絡協議，但是相互之間的兼容性還存在一定問題。
2.2 數據采集技術
價格低廉、性能良好的傳感器是工業物聯網應用的基石，工業物聯網的發展要求更準確的、更智能的、更高效的以及兼容性更強的傳感器技術。智能數據采集技術是工業物聯網發展的一個新的方向，學術界涌現出一大批先進智能采集系統，根據不同的思想設計了基于PC 的人機交互的數據采集及分析系統，但是在不同行業的應用中會存在不同的問題亟需解決。
2.3 智能信息處理
工業生產過程中產生的大量數據對于工業物聯網要求的實時性來說是一個挑戰，當前業界大數據處理技術有很多，如SAP 的BW 系統在一定程度上解決了大數據給企業生產運營帶來的問題，但是伴隨著越來越大數據量的產生勢必會在數據處理方面帶來困難，而企業的管理者需要實時掌握企業的運營情況，所以如何處理越來越大的數據量是工業物聯網發展的一個瓶頸。
2.4 工業物聯網的安全問題
工業物聯網安全主要涉及數據采集安全、網絡傳輸安全等過程，信息安全對于企業運營起到關鍵作用，例如在冶金、煤炭、石油等行業采集數據需要長時間的連續運行，如何保證在數據采集以及傳輸過程中信息的準確無誤是工業物聯網應用于實際生產的前提。
3 結語
中國作為世界上最大的制造業國家，新型工業化的發展上升到了國家層面，而每年的工業生產總值占到了全國GDP總值的將近一半，物聯網技術的提出給工業化的進程提供了新的契機。本文主要介紹了工業物聯網的相關概念以及關鍵技術，并分析了當前國內外工業物聯網的發展現狀，最后歸結了當前工業物聯網亟需解決的幾點關鍵問題。
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本文標題：工業物聯網研究概述
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